專利名稱：一種仿生水黽機器人的制作方法
技術領域：
本發明涉及機器人技術，具體為一種可在水面上行走的仿生水黽機器人。
背景技術：
仿生技術研究是當今機器人研究領域內的前沿課題，模擬各種生物在各種特定條件下的卓越功能，制造出可以代替人類從事惡劣環境下工作的仿生機器人，是研究的最終目標。各國學者對仿水黽的水上機器人進行了大量研究。卡內基梅隆大學、哥倫比亞大學、麻省理工大學和清華大學(吳立成等，水上漂浮仿生水黽機器人，ZL200610112601.7, 清華大學，2006)等都研制出了仿生水黽機器人，其劃水腿和支撐腿由金屬絲涂特殊防水材料彎制而成，主要利用水的表面張力支撐機器人漂浮于水面，不利于攜帶負載進行工作。利用水的浮力支撐機器人漂浮于水面的仿水黽機器人國內外也有所研究。河北工業大學高鐵紅教授課題組研制的一款仿水黽機器人(高鐵紅，仿水黽機器人機構及性能分析研究[博士論文]，河北工業大學，2008)，采用了 3個微小電磁鐵作為驅動器，驅動三自由度輸入并聯解耦劃水驅動機構實現劃水運動，支撐腿采用聚氨酯材料制作成圓柱體，利用其所受浮力支撐機器人浮于水面。該機器人由于受到微小電磁鐵行程及復位彈簧彈性恢復力的影響，劃水速度受到限制。

發明內容
針對現有技術的不足，本發明擬解決的技術問題是，提供一種仿生水黽機器人，該機器人模仿生物水黽的結構和運動機理設計，采用水的浮力支撐機器人，具有水上運動負載能力強，移動速度快，劃水效率高等特點。本發明解決所述技術問題的技術方案是，設計一種仿生水黽機器人，其特征在于該機器人模仿生物水黽的結構布局，主要包括機架、對稱安裝在機架上的前后四條支撐腿和中間左右兩條劃水腿、舵機組件和控制電路，所述劃水腿包括劃水腿劃水機構和劃水腿抬腿機構，所述舵機組件包括劃水舵機組件和抬腿舵機組件；所述支撐腿包括依次連接的上連接桿、中連接桿和漂浮支撐腿，上連接桿與機架連接；所述劃水腿劃水機構為四桿機構，包含第一劃水桿、第二劃水桿、第三劃水桿及機架，第一劃水桿的一端經劃水舵機臂與劃水舵機輸出軸連接，第一劃水桿的另一端與第二劃水桿的一端、第二劃水桿的另一端與第三劃水桿的一端、以及第三劃水桿的另一端與機架之間均為旋轉副連接；所述劃水腿抬腿機構為平行四邊形機構，包含第一抬腿桿、第二抬腿桿、連接板和劃水板，第一抬腿桿一端經抬腿舵機臂與抬腿舵機連接，抬腿舵機經舵機支撐架與連接板連接，第一抬腿桿的另一端與劃水板的一端，劃水板的另一端與第二抬腿桿的一端、第二抬腿桿的另一端與連接板之間均通過旋轉副連接，所述旋轉副為微小軸承及銷軸制作而成；
所述劃水舵機組件包括劃水舵機、劃水舵機支撐架和劃水舵機臂，劃水舵機經舵機支撐架連接到機架上，劃水舵機臂分別與劃水腿劃水機構和劃水舵機連接；所述抬腿舵機組件包括抬腿舵機、抬腿舵機支撐架和抬腿舵機臂，抬腿舵機經抬腿舵機支撐架與劃水腿抬腿機構連接，抬腿舵機臂分別與劃水腿抬腿機構和抬腿舵機連接。與現有技術相比，本發明仿生水黽機器人具有結構簡單，水上運動負載能力強，移動速度快，劃水效率高等特點。


圖1為本發明仿生水黽機器人一種實施例的整體結構主視結構示意圖；圖2為本發明仿生水黽機器人一種實施例的整體結構俯視結構示意圖；圖3為本發明仿生水黽機器人一種實施例的整體結構左視結構示意圖；圖4為本發明仿生水黽機器人一種實施例的劃水腿劃水機構結構示意圖，其中， 圖4(1)為劃水腿劃水機構主視結構示意圖，圖4(2)為劃水腿劃水機構主視結構中的局部結構放大示意圖；圖4(3)為劃水腿劃水機構俯視結構示意圖；圖5為本發明仿生水黽機器人一種實施例的劃水腿抬腿機構結構示意圖，其中， 圖5(1)為劃水腿抬腿機構主視結構圖，圖5(2)為劃水腿抬腿機構左視結構圖；圖5(3)為劃水腿抬腿機構左視結構中的局部結構放大示意圖；圖6為本發明仿生水黽機器人一種實施例的劃水腿抬腿機構中的第一抬腿桿31 結構示意圖；其中，圖6(1)為第一抬腿桿31的主視圖，圖6 (2)為第一抬腿桿31的左視圖；圖7為本發明仿生水黽機器人一種實施例的舵機組件6中的抬腿舵機臂63結構示意圖；其中，圖7(1)為抬腿舵機臂63結構的主視圖，圖7(2)為抬腿舵機臂63結構的左視圖。
具體實施例方式下面結合實施例及其附圖進一步敘述本發明本發明設計的仿生水黽機器人(簡稱機器人，參見圖1-7)，其特征在于該機器人模仿生物水黽的結構布局，主要包括機架和對稱安裝在機架上的前后四條支撐腿4和中間左右兩條劃水腿，以及舵機組件和控制電路。所述劃水腿包括劃水腿劃水機構2和劃水腿抬腿機構3。所述機架1為矩形板。機架1可選用碳纖維板、塑料或有機玻璃材料制造。 所述舵機組件包括劃水舵機組件5和抬腿舵機組件6。所述劃水舵機組件5包括劃水舵機51、劃水舵機支撐架52和劃水舵機臂53。劃水舵機51膠結到舵機支撐架52上， 劃水舵機支撐架52膠結到機架1上，劃水舵機臂53分別與劃水腿劃水機構2的劃水桿21 和劃水舵機51的輸出軸連接。所述抬腿舵機組件6包括抬腿舵機61、抬腿舵機支撐架62 和抬腿舵機臂63。抬腿舵機61膠結到抬腿舵機支撐架62上，抬腿舵機支撐架62膠結到劃水腿抬腿機構3的連接板34上，抬腿舵機臂63分別與劃水腿抬腿機構3的抬腿桿31和抬腿舵機61的輸出軸連接。 本發明實施例采用的所述劃水舵機51和抬腿舵機61，也可選用微小控制電機來替代，如采用微小伺服電機或微小步進電機等，相應安裝結構略有變動，其余機構不變。
所述支撐腿4包括四個，結構一致，每個支撐腿包括上連接桿41、中連接桿42和漂浮支撐腿43 ；上連接桿41的一端與機架1通過螺釘連接，上連接桿41的另一端與中連接桿 42的一端連接，中連接桿42的另一端與漂浮支撐腿43膠合連接。漂浮支撐腿43的垂直和水平投影形狀均近似為橢圓形的流線型形狀，以減小機器人劃行時所受水阻力；漂浮支撐腿43采用聚氨酯材料或者其它性能相似的材料制作，取材方便、重量較輕、容易加工。所述四個支撐腿兩個一組，對稱安裝在機架1的前后兩邊，構成仿生水黽機器人的前后四條腿， 用于穩定支撐機架1及其負載漂浮在水面上(參見圖1、2、3)。為了使支撐腿的長度可方便調節，本發明的進一步特征是在上連接桿41上和中連接桿42上分別設有調節長槽，利用兩個調節長槽和螺釘把上連接桿41和中連接桿42連接為一體，并可簡便調節(參見圖1、2)。所述劃水腿劃水機構2為結構一致的左右兩組，分別對稱安裝在機架1的左右兩側邊上，構成仿生水黽機器人的中間兩條腿，劃水腿劃水機構2為四桿機構，包含第一劃水桿21、第二劃水桿22、第三劃水桿23及機架1。第一劃水桿21 —端的槽中嵌入劃水舵機臂 53，并將劃水舵機臂53與劃水舵機51輸出軸連接，劃水舵機51膠結到劃水舵機支撐架52 上，再將劃水舵機支撐架52膠結到機架1上。第一劃水桿21的另一端與第二劃水桿22的一端、第二劃水桿22的另一端與第三劃水桿23的一端、以及第三劃水桿23的另一端與機架1之間均為旋轉副連接。所述的旋轉副為微小軸承及銷軸制作而成。所述劃水舵機51運行時，帶動劃水舵機臂53旋轉，同時劃水舵機臂53也帶動第一劃水桿21旋轉，并通過四桿機構帶動第二劃水桿22運動，從而將劃水舵機51的旋轉運動轉化為第二劃水桿22的劃水運動。所述劃水腿抬腿機構3為平行四邊形機構，包括第一抬腿桿31、第二抬腿桿33、連接板34和劃水板32。第一抬腿桿31 —端的槽中嵌入抬腿舵機臂63，并將抬腿舵機臂63 與抬腿舵機61的輸出軸連接，抬腿舵機61膠結到舵機支撐架62上，再將舵機支撐架62膠結到連接板34上。第一抬腿桿31的另一端與劃水板32的一端通過微小軸承及銷軸制作的旋轉副進行連接，同理劃水板32的另一端與第二抬腿桿33的一端、第二抬腿桿33的另一端與連接板34之間也通過微小軸承及軸制作的旋轉副進行連接。劃水腿抬腿機構3也為結構一致的左右兩組，分別與左右兩組劃水腿劃水機構2串聯安裝，具體為連接板34上設有的長槽孔與第二劃水桿22通過螺釘固聯。所述抬腿舵機61運行時，帶動抬腿舵機臂63旋轉，同時抬腿舵機臂63帶動抬腿桿31旋轉，并通過平行四邊形機構帶動劃水板32上下運動，從而將抬腿舵機61的旋轉運動轉化為劃水板32的抬腿運動。所述劃水板32的入水高度或劃水板32與水面之間距離，可通過第二劃水桿22與連接板34之間的滑槽位置來調節；也可通過調節兩個支撐腿的上連接桿41和中連接桿42 的滑槽連接位置，使機器人機身整體抬高或降低，從而使劃水板的入水高度得到高低調節， 使機器人劃水時劃水板32能適當浸入水中，機器人抬腿時劃水板32能適當脫離水面。控制電路部分主要包括單片機和遙控器，是現有技術。單片機安裝在機架1上。利用遙控器控制機器人能夠實現前進，左轉，右轉等運動。所述機器人機架1與各個連桿件可選用碳纖維板、塑料或有機玻璃材料制造。實施例均采用有機玻璃材料制作，具有重量輕，機械加工性能較好等特點。
本發明機器人的工作過程和原理是利用前后四條支撐腿4所受的浮力支撐機器人，穩定漂浮在水面上。左右或中間兩條腿由四桿機構構成的劃水腿劃水機構2和平行四邊形機構構成的劃水腿抬腿機構3構成，劃水機構2與抬腿機構3串聯安裝，并通過控制電路使其相互配合運動。在控制電路控制下，通過劃水舵機51的驅動，使劃水腿劃水機構 2的劃水桿22運動，并帶動抬腿機構3的劃水板32 —起做劃水和回腿運動；通過抬腿舵機 61驅動使劃水腿抬腿機構3的抬腿桿31運動，從而帶動劃水板32 —起做入水和抬腿運動。 運動過程如下抬腿舵機61驅動劃水腿抬腿機構3的抬腿桿31使機器人劃水板32入水， 然后劃水舵機51驅動劃水機構2帶動抬腿機構3的劃水板32進行劃水運動，接著抬腿舵機61驅動抬腿機構3的抬腿桿31使機器人劃水板32抬出水面，最后劃水舵機51驅動劃水機構2帶動劃水板32進行回腿運動，實現機器人一個劃水-抬腿-回腿-入水的循環周期運動；同時，左右兩個劃水腿可以利用其一側單腿運動和另一側保持不動的方式，或者左右兩側劃水腿都運動，但具有差動的方式來實現和控制機器人的轉彎運動。四個漂浮支撐腿采用聚氨酯材料制作成流線型，能減少機器人運動時水產生的阻力，并具有一定的浮力。本發明未述及之處適用于現有技術。本發明仿生水黽機器人模仿水黽的結構布局和運動機理，具有較好的負載能力， 同時具有劃水速度快、劃水效率高的特點，可用于環境偵察、勘測、水質監控等領域，具有十分重要的應用前景。
權利要求
1.一種仿生水黽機器人，其特征在于該機器人模仿生物水黽的結構布局，主要包括機架、對稱安裝在機架上的前后四條支撐腿和中間左右兩條劃水腿、舵機組件和控制電路，所述劃水腿包括劃水腿劃水機構和劃水腿抬腿機構，所述舵機組件包括劃水舵機組件和抬腿舵機組件；所述支撐腿包括依次連接的上連接桿、中連接桿和漂浮支撐腿，上連接桿與機架連接；所述劃水腿劃水機構為四桿機構，包含第一劃水桿、第二劃水桿、第三劃水桿及機架， 第一劃水桿的一端經劃水舵機臂與劃水舵機輸出軸連接，第一劃水桿的另一端與第二劃水桿的一端、第二劃水桿的另一端與第三劃水桿的一端、以及第三劃水桿的另一端與機架之間均為旋轉副連接；所述劃水腿抬腿機構為平行四邊形機構，包含第一抬腿桿、第二抬腿桿、連接板和劃水板，第一抬腿桿一端經抬腿舵機臂與抬腿舵機連接，抬腿舵機經舵機支撐架與連接板連接， 第一抬腿桿的另一端與劃水板的一端，劃水板的另一端與第二抬腿桿的一端、第二抬腿桿的另一端與連接板之間均通過旋轉副連接，所述旋轉副為微小軸承及銷軸制作而成；所述劃水舵機組件包括劃水舵機、劃水舵機支撐架和劃水舵機臂，劃水舵機經舵機支撐架連接到機架上，劃水舵機臂分別與劃水腿劃水機構和劃水舵機連接；所述抬腿舵機組件包括抬腿舵機、抬腿舵機支撐架和抬腿舵機臂，抬腿舵機經抬腿舵機支撐架與劃水腿抬腿機構連接，抬腿舵機臂分別與劃水腿抬腿機構和抬腿舵機連接。
2.根據權利要求1所述的仿生水黽機器人，其特征在于所述的上連接桿上和中連接桿上分別設有調節長槽，利用兩個調節長槽和螺釘把上連接桿和中連接桿連接為一體。
全文摘要
本發明公開一種仿生水黽機器人，其特征在于該機器人模仿生物水黽的結構布局，主要包括機架、對稱安裝在機架上的前后四條支撐腿和中間左右兩條劃水腿、舵機組件和控制電路，所述劃水腿包括劃水腿劃水機構和劃水腿抬腿機構，所述舵機組件包括劃水舵機組件和抬腿舵機組件；所述支撐腿包括依次連接的上連接桿、中連接桿和漂浮支撐腿，上連接桿與機架連接；所述劃水腿劃水機構為四桿機構；所述劃水腿抬腿機構為平行四邊形機構；所述劃水腿劃水機構與所述劃水腿抬腿機構串聯安裝，并通過控制機構相互配合運動。
文檔編號B63H19/00GK102556318SQ201210008179
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月12日 優先權日2012年1月12日
發明者何沖, 南雅芳, 孫建明, 張曜瑋, 段錦晶, 高鐵紅, 齊旭冰 申請人:河北工業大學